用于诊断废气传感器的测量能力的方法和设备的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于诊断在内燃机的废气通道中的废气传感器的测量能力的方法，其中将一种传感器结构作为废气传感器来使用，该传感器结构具有处于参考气体通道中的储存空间、至少一个朝向与所述废气通道连接的电极空腔的第一电极（16）和朝向所述参考气体通道（18）的第二电极（17）。此外，本发明涉及一种用于执行所述方法的设备。按照本发明，在第一阶段中，在所述第一电极（16）与所述第二电极（17）之间加载如此高的电压：通过水和/或二氧化碳的分解用额外的氧气来填充所述参考气体通道（18），并且在第二阶段中将从所述第一电极（16）到所述第二电极（17）的泵电流用于对所述测量能力进行评估。所述方法和所述设备能够在没有将所述内燃机的废气成分转换到富油的废气上的情况下对所述废气传感器的测量能力进行诊断。因此可以避免所述内燃机的燃料消耗或者排放的提高。
【专利说明】用于诊断废气传感器的测量能力的方法和设备
[0001 ]本发明涉及一种用于诊断在内燃机的废气通道中的废气传感器(Abgas-Sonde)的 测量能力的方法，其中使用一种传感器结构（Sondenaufbau)作为废气传感器，该传感器结 构具有处于参考气体通道中的储存空间、至少一个朝向与废气通道连接的电极空腔的第一 电极和一个朝向参考气体通道的第二电极。
[0002] 本发明此外还涉及一种用于诊断在内燃机的废气通道中的废气传感器的测量能 力的设备，其中废气传感器具有拥有储存空间的参考气体通道和至少一个朝向与废气通道 连接的电极空腔的第一电极以及一朝向参考气体通道的第二电极的参考气体通道，并且其 中为所述废气传感器配设了用于向该废气传感器加载电压及电流信号并且用于对电压及 电流信号进行评估的控制机构。
[0003] 废气传感器以λ-传感器(Lambda-Sonden)的形式在内燃机的废气通道中被用于确 定输送给内燃机的空气燃料混合物的成分。按照法律规定，必须在运行中就正确的功能、所 谓的"测量能力"对废气传感器进行检查。为此可以将已知成分的气体混合物输送给废气传 感器且对废气传感器的输出信号进行评估。因此，在具有λ值<1的"富油的（fetten)"空气 燃料比下就正确的功能对λ-传感器进行检查、对所谓的"油气测量能力"进行检查时，必须 向λ-传感器输送这种混合物。特别是在正常运行下在贫油(mageren)的废气的范围内运行 的柴油机(Dieselmotor)中，用于诊断的富油运行造成了排放增加以及额外的燃耗并且因 此优选予以避免。其它的、在不干预到马达运行中的情况下进行的提供在λ-传感器上的富 油的气体成分的可行方案，出于多种多样的原因而无法实现。
[0004] 不过用其它方式的可靠的诊断也是有缺陷的。为了确定λ值而使用λ-传感器的栗 电流。所述栗电流在贫油的废气中是正的，在富油的废气中是负的。在λ-传感器内部的运输 过程中在贫油的和富油的废气下，在电极上的电流方向、电极反应和气体方面极为不同。因 此为了接近实际的诊断，必须提供这些只要是诊断所需的条件。
[0005] 废气传感器可以设计为宽带-λ-传感器、氧跃变传感器(Lambda-Sprungsonden)、 双单元式宽带-λ-传感器或设计成单个单元式极限电流传感器。单个单元式极限电流传感 器可以具有以下特点:它们作为氧气储存器而包含大的参考气体通道。
[0006] DE102011005490A1公开了一种针对运行用于检测在测量气室内的气体的至少一 种特性的传感器元件的方法，其中，传感器元件包括至少一个栗单元，栗单元带有至少两个 电极和至少一个连接电极的固体电解质，其中，栗单元的至少一个第一电极能用来自测量 气室的气体加载，其中，栗单元的至少一个第二电极与至少一条参考通道处于连接中，其 中，在该方法中检查，流经栗单元的栗电流是否通过用气体加载第一电极而受到限制或栗 电流是否通过参考通道而受到限制。在该文献中，既没有对富油测量能力（FettmessfS higkeit)的诊断进行探讨，也没有对为了诊断所述λ-传感器的富油测量能力而有针对性地 在所述测量气室中产生富油的气体成分的可行方案进行探讨。
[0007] DE102010039188A1公开了一种用于对测量气室中的气体的至少一种特性进行检 测、尤其是用于对气体的气体成分进行探测的方法，其中使用至少一个具有至少一个单元 (Zelle)的传感器元件，其中所述单元包括至少一个第一电极、至少一个第二电极和至少一 个连接所述第一电极与第二电极的固体电解质，其中所述第一电极能够用来自所述测量气 室的气体来加载，其中所述第二电极与所述至少一个参考气体室处于连接之中，其中所述 参考气体室被设立用于:储存所述气体的一种气体成分的储备，其中所述方法包括至少两 种运行模式： -至少一种测量模式，其中在所述测量模式中作为栗单元来运行所述单元并且从所述 至少一种流经所述栗单元的栗电流中推断出所述特征；以及 -至少一种诊断模式，其中在所述诊断模式中检查所述参考气室的储存能力，其中检查 至少一个通过加载在所述单元上的能斯托电压(Nernstspannung)来受到影响的测量变量 并且从所述测量变量中推断出所述储存能力。
[0008] 在该文献中描述，所述λ-传感器内部的储氧能力能够如何用栗电流来影响。此外， 描述了测量模式，其中，也对在贫油运行的马达中、尤其是在柴油机中的废气测量进行了探 讨。但是没有对所述富油测量能力的诊断进行探讨。
[0009] DE102010039392A1公开了一种用于对测量气室中的气体的氧含量进行检测的设 备，该设备包括至少一个传感器元件，其中所述传感器元件具有至少一个能斯托单元 (Nernstzelle)，所述能斯托单元具有至少一个第一电极、至少一个第二电极和至少一个连 接所述第一电极与所述第二电极的固体电解质，其中所述第一电极能够用来自所述测量气 室的气体来加载，其中所述第二电极布置在参考气室中，其中所述设备此外具有至少一个 控制机构，其中所述控制机构被设立用于检测所述能斯托单元的电压，其中所述控制机构 此外具有用于产生流经所述能斯托单元的参考栗电流的加载设备，其中以下述方式设立所 述加载设备:使得在所述富油的空气系数范围内与在贫油的空气系数范围内的参考栗电流 的差△ Iprrf不大于通过所述空气系数范围来求平均的参考栗电流Iprrf的50%。在该文献中对 所述废气传感器的布线进行探讨，但是没有对在贫油运行的马达中的富油测量能力进行诊 断的问题予以描述或者予以解决。
[0010] 因此，本发明的任务是，提供一种方法和一种设备，所述方法和设备能够在确定富 油的废气混合物的成分的情况下执行对于废气传感器的功能性能的检查，而没有向所述废 气传感器加载富油的废气。
【发明内容】
[0011] 本发明的、与所述方法相关的任务通过以下方式得到解决:在第一阶段中，在所述 第一电极与所述第二电极之间加载下述程度这样高的电压:通过水和/或二氧化碳的分解 用额外的氧气来填充所述参考气体通道，并且在第二阶段中，将在包含所述第一电极和所 述第二电极的电路中的栗电流考虑用于对所述测量能力进行评估。在所述第一阶段中，在 所谓的"呼吸模式"中用氧气来填充用作氧气储存器的参考气体通道。在这个阶段中所述废 气传感器的输出信号不适合于确定所述气体混合物的λ值。在所述第二阶段中，确定由所述 第一电极、所述第二电极、所述陶瓷基体和控制电子器件(steuerelektronik)构成的测量 回路中的电流。所述系统中的栗电流的数值由所述电极装置、所参与的材料和所述气体混 合物的、在所述电极上存在的成分来确定，并且示范性通过在被闭合(eingeschleift)在所 述电极的馈电线之一中的测量电阻上的电压降来确定。所述电流的水平和方向通过经验值 和可信性研究来考虑用于对所述废气传感器的测量能力进行评估。
[0012] 如果将所述废气传感器的富油测量能力作为测量能力来确定，所述方法是特别合 适的。通过用氧气来填充所述参考气体通道而在返回到所述废气传感器的测量模式中时， 暂时地产生像在用富油的废气进行运行时那样的运行条件。示范性地对于用柴油燃料来运 行的内燃机来说，在用贫油的废气混合物来正常地测量运行所述废气传感器时，来自所述 废气的氧气通过扩散屏障扩散到所述废气传感器的电极空腔中。在那里，由于所述运行策 略而大约存在λ=1的λ值。扩散到所述电极空腔中的氧气在也被称为内部的栗电极（IPE)的 第一电极上被装入(eingebaut)到所述废气传感器的、由能传导离子的陶瓷制成的基体中 并且通过也被称为排出空气电极(ALE)的第二电极被运输到所述参考气体通道中。在所谓 的呼吸模式中，将比在正常的测量运行中高的栗电压加载到所述第一和第二电极上。经此， 在所述第一电极上进行额外的电化学的反应，由此从在所述废气中存在的二氧化碳(C0 2) 和水蒸汽(H20)中分裂出额外的氧气(02)并且将其运输到所述参考气体通道中。在所述第一 电极上进行反应时，由此形成油气组分-氢气(?)和一氧化碳(C0)并且将其释放到所述电 极空腔中。因此，在所述电极空腔中产生实际上的富油的、具有λ<1的λ值的气体混合物，尽 管所述废气通道中的气体混合物还是贫油的其λ> 1。
[0013] 如果所述基体由二氧化锆(Zr02)制成，那么在进行所述呼吸运行时在所述第一电 极（IPE)上就进行以下反应：
在此eT表示一个电子并且〇2^表示一个双负电荷的氧离子。在此，在所述第二电极(ALE) 上进行以下反应：
在此1/2 〇2表不一个氧分子的一半，所述氧分子的产生是所述呼吸模式的真正的目 的。C0和出的出现是副效应，所述副效应按照本发明被充分利用用于确定所述富油测量能 力。有利的是:所述呼吸模式在所述控制机构中已经被设置为程序流程并且不必为了实施 按本发明的方法而额外地加以引入。
[0014] 在所述第二阶段中，取消提高了的栗电压并且所述废气传感器返回到所述测量模 式中。在此，首先使所述电极空腔中的富油的气体混合物氧化，直至大约达到λ=1的λ值。对 此来说必要的氧气被从所述参考气体通道中取出并且在所述栗单元的第一电极(ΙΡΕ)处予 以提供。额外的氧气份额被从所述贫油的废气中取出，并且通过所述扩散屏障到达所述电 极空腔中。
[0015] 在所述第二阶段中，因此在所述废气传感器上存在着像在用富油的废气混合物进 行测量运行时那样的条件： -将氧气从所述参考气体通道运输到所述电极空腔中； -将在所述第一电极上的油气组分用那里提供的氧气进行氧化； -所述电的测量回路中的电流方向和运行模式与富油的废气混合物相对应。
[0016] 由于所述氧气运输，而在所述第二阶段中短时间地在所述测量回路中出现负的电 流脉冲。将这种在返回到测量模式中时的电流脉冲充分利用用于对所述测量能力进行诊 断。如果缺少所述电流脉冲，则推断出在所述测量回路中或者在所述废气传感器中有损坏。
[0017]按本发明的方法有利地充分利用以下方面:为了对所述废气传感器的富油测量能 力进行评估而使用具有从将氧气从所述参考气体通道运输到所述电极空腔的第二阶段。在 这样的、也如其在出现所述内燃机的、实际上的富油的废气时所存在的那样的条件下，可以 对富油测量运行进行检查。尤其在整个电的测量回路中的电流方向和运行模式与在用具有 λ<1的λ值的废气混合物进行的测量运行中的电流方向和运行模式为相同类型。在从所述 呼吸模式返回到所述测量模式中时，由于用富油的废气进行富油测量运行而在所述电极空 腔中出现电流脉冲，将所述电流脉冲充分利用用于所述诊断。如果缺少所述负的栗电流脉 冲，则推断出在所述测量回路或者废气传感器中有损坏。通过对于所述呼吸模式的频次的、 合适的选择，可以实现：对用于遵守"使用监控性能比（in use monitor performance ratio)"（IUMPR)的要求的遵守。
[0018]所述按本发明的方法的结论精度(Aussagegenauigkeit)的改进得到实现，办法 是:为了对所述废气传感器的测量能力进行评估而在所述"呼吸模式"中额外地考虑运转参 数和/或功能值，并且作为功能值至少单个地或者以所述措施的组合来使用所述第一电极 与所述第二电极之间的电压、通过第一和/或第二馈电线流往所述第一和第二电极的电流 和/或所述电压和/或电流的时间上的曲线。所述第一电极与所述第二电极之间的电压是所 谓的栗电压，流经所述馈电线的电流是所谓的栗电流。
[0019]已知在所述栗电压变化时出现电容的转载电流(Umladestrom)，所述转载电流与 通过所述氧气运输引起的电流叠加。因此有利地改进按本发明的方法，办法是:在所述第一 电极与所述第二电极之间的电压变化时，在对所述废气传感器的测量能力进行评估时考虑 流经所述第一和/或第二馈电线的电容的转载电流。对于这种电容的转载电流的考虑改进 了所述诊断的划分清晰度或者说分级精度(TrennschSrf e)。
[0020]本发明的、与所述设备相关的任务通过以下方式得到解决:在所述控制机构中设 置有开关电路或者程序流程，所述开关电路或者程序流程用于在第一阶段中向所述废气传 感器加载处于所述第一电极与所述第二电极之间的电压，以便将氧气运输到所述参考气体 通道中，并且用于在第二阶段中在包含所述第一电极和第二电极的电路中确定栗电流，以 便对测量能力进行评估。所述控制机构的这种补充充分利用以下方面:在所述第一阶段中， 在电极空腔中在所述第一电极上通过电化学的反应来产生油气组分，所述油气组分与上述 试剂气体通道(Reagenzgaskanal)中的氧气一起在所述第二阶段的开始引起对于用富油的 废气进行的运行来说表示出特征的电流脉冲。如果缺少这种电流脉冲，则以负的结果结束 对于所述测量能力的诊断。有利地充分利用以下方面:所述内燃机的废气不必转换到富油 运行上，并且由此可以在诊断期间避免消耗的升高和不受欢迎的排放。
[0021 ]所述设备尤其适合于诊断，如果所述废气传感器被构造为λ-传感器或者被构造为 氮氧化物传感器。为此，所述设备和所述方法可以在需要时与所述废气传感器的结构上的 差别相匹配，而不离开所述基本思想。
[0022]特别有利地将所述方法和所述设备用于对内燃机的废气通道中的λ-传感器的富 油测量能力进行诊断。在此充分利用以下方面:所述内燃机的废气不必转换到富油运行上 并且由此可以在所述诊断期间避免消耗的升高和不受欢迎的排放。
【附图说明】
[0023]下面借助于在附图中示出的实施例来对本发明进行更详细地解释。附图中： 图1示出了一个单个单元式废气传感器。
[0024]图1示出了 一种具有基体13和进气口 12的单个单元式废气传感器10，所述进气口 12朝-这里未示出的-内燃机的废气通道打开。所述废气传感器10用作λ-传感器以用于确定 输送给所述内燃机的空气燃料混合物的成分。所述基体13由固体电解质制成，示范性地由 钇稳定的二氧化锆制成，所述固体电解质在运行温度下是离子传导的并且用由电极和气体 输送装置的一种合适的布置适用于确定气体成分的特定组分的浓度。废气11经过所述进气 口 12通过所述扩散屏障14进入到电极空腔15中。所述扩散屏障14是一种多孔的元件，该元 件至少尽可能阻止气体从所述进气口 12反流(Nachstr6men)到所述电极空腔15中或者以相 反的方向反流，并且仅能实现扩散运输。在所述电极空腔15中，所述基体13的壁的一部分用 第一电极16占据(belegt)，该第一电极通过第二馈电线21被引到外面。所述基体13还具有 参考气体通道18,该参考气体通道用多孔的、透气的介质填满并且它的壁局部用第二电极 17占据。所述第二电极17通过第一馈电线20被引到外面。所述第一电极16也被称为内部的 栗电极（IPE)。所述参考气体通道18也被称为排出空气通道(ALK)，所述第二电极17也被称 为排出空气电极(ALE)。所述第一电极16和所述第二电极17在所示出的实施例中布置在被 实施为层构造的基体13的内部。所述第一电极16、所述第二电极17和所述基体13的、处于所 述第一电极和所述第二电极之间的固体电解质共同形成栗单元。
[0025]此外，所述废气传感器10在所示出的实施例中包括具有绝缘层25的加热元件24， 所述绝缘层25包围着所述加热元件24并且在运行温度下阻止与所述废气传感器10中的其 它组件的电的接触。通过第一加热线路22和第二加热线路23向所述加热元件24供给运行电 压。所述运行电压由所配设的控制机构以下述方式来调节：出现所述栗单元的预定的内电 阻。在所述内燃机的控制机构中，也预定或者确定在所述第一与第二电极16、17上的电压， 并且预定或者确定在所述第一与第二馈电线20、21中的电流。作为实现的例子，被用废气来 加载的第一电极16或者内栗电极被连接到所述控制机构的虚拟的接地线(Masse)上。这条 虚拟的接地线将所述第一电极16相对于电的接地而置于恒定的电极电位上。而所述第二电 极17或者排出空气电极则位于可变的电位上。通过栗电源，借助于电流测量设备、示范性地 借助于测量电阻来确定经过所述栗单元的栗电流Ip。对于常见的线路来说，这一点以下述 方式进行:通过在运算放大器的未逆转的输入端上的馈入来调节所述栗电源的栗电压U P， 以便在对空气进行测量时设定较高的、900mV的栗电压，而对于富油气体来说则设定较小 的、200mV的栗电压Up。在所述第一电极16与所述第二电极17之间出现取决于所述废气的成 分的能斯托电压Un。
[0026] 作为替代方案，所述诊断也可以在用脉动的栗电流以数字方式断断续续地运行所 述电化学的单元时进行。
[0027] 按照本发明，为了准备对所述废气传感器10的富油测量能力进行诊断，暂时在所 述第一电极16与所述第二电极17之间加载高的栗电压Up。在此，所述参考气体通道18在这 个也被称为"呼吸模式"的阶段中用氧气填充。在所述呼吸模式期间，所述废气传感器10的 输出信号不适合于确定所述λ值。如果所述参考气体通道18足够地用氧气来填充，那么对于 所述诊断来说则可以充分利用在返回到正常的测量运行时短时间出现的富油运行。这种诊 断提供至少一个关于富油测量能力的、定性的结论，而不必向所述废气传感器10输送实际 上的富油的气体混合物。
【主权项】
1. 用于诊断在内燃机的废气通道中的废气传感器（10)的测量能力的方法，其中将一种 传感器结构作为废气传感器(10)来使用，该传感器结构具有处于参考气体通道(18)中的储 存空间、至少一个朝向与所述废气通道连接的电极空腔（15)的第一电极(16)和朝向所述参 考气体通道（18)的第二电极（17)，其特征在于，在第一阶段中在所述第一电极（16)与所述 第二电极（17)之间加载如此高的电压:通过水和/或二氧化碳的分解用额外的氧气来填充 所述参考气体通道（18)，并且在第二阶段中将在包含所述第一电极（16)和所述第二电极 (17)的电路中的栗电流用于对所述测量能力进行评估。2. 按权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述废气传感器（10)的富油测量能力作为 测量能力来确定。3. 按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为了对所述废气传感器（10)的富油测量 能力进行评估而使用具有将氧气从所述参考气体通道（18)运输给所述电极空腔（15)的第 二阶段。4. 按权利要求1到3中任一项所述的方法，其特征在于，为了对所述废气传感器（10)的 测量能力进行评估而在所述第一阶段期间额外地考虑运转参数和/或功能值，并且作为功 能值至少单个地或者以所述措施的组合来使用所述第一电极（16)与所述第二电极（17)之 间的电压、通过第一和/或第二馈电线(20、21)流往所述第一和第二电极（16、17)的电流和/ 或所述电压的和/或电流的时间上的曲线。5. 按权利要求1到4中任一项所述的方法，其特征在于，在所述第一电极（16)与所述第 二电极（17)之间的电压变化时，在对所述废气传感器（10)的测量能力进行评估时，考虑流 经所述第一和/或第二馈电线(20、21)的、电容的转载电流。6. 用于诊断在内燃机的废气通道中的废气传感器（10)的测量能力的设备，其中所述废 气传感器（10)具有拥有储存空间的参考气体通道（18)和至少一个朝向与所述废气通道连 接的电极空腔（15)的第一电极（16)以及朝向所述参考气体通道（18)的第二电极（17)，并且 其中为所述废气传感器（10)配设了用于向该废气传感器（10)加载电压信号及电流信号并 且用于对电压信号及电流信号进行评估的控制机构，其特征在于，在所述控制机构中设置 开关电路或者程序流程，所述开关电路或者程序流程用于在第一阶段中向所述废气传感器 (10)加载处于所述第一电极(16)与所述第二电极(17)之间的电压，以便将氧气运输到所述 参考气体通道（18)中，并且用于在第二阶段中在包含所述第一电极（16)和第二电极（17)的 电路中确定栗电流，以便对所述测量能力进行评估。7. 按权利要求7所述的设备，其特征在于，所述废气传感器（10)构造为λ-传感器或者构 造为氮氧化物传感器。8. 按前述权利要求中任一项所述的方法和设备的应用，用于诊断内燃机的废气通道中 的λ-传感器的富油测量能力。
【文档编号】G01N27/406GK105874328SQ201480072438
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2014年12月3日
【发明人】G.赖因哈特, M.布赫霍尔茨
【申请人】罗伯特·博世有限公司